CN107345267A - 一种高性能tbm用盘形滚刀热处理工艺 - Google Patents

一种高性能tbm用盘形滚刀热处理工艺 Download PDF

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Abstract

本发明属于热处理领域，具体地说是一种高性能TBM用盘形滚刀热处理工艺。热处理工艺包括以下步骤：1)钢材锻后退火处理；2)调质前双细化热处理工艺：将锻件加热至1030～1060℃，保温2～3h，重复前述工艺后加热至850～870℃，保温2～3h，降温至730～740℃，保温4～5h，炉冷；3)淬火处理：将工件加热至1030～1060℃，保温2～3h后油淬；回火处理：将工件加热至540～560℃，保温1.5～2.5h后空冷至室温，重复回火一次。通过本发明工艺得到的TBM用盘形滚刀，碳化物细小弥散分布于基体上，晶粒尺寸均匀细小，碳化物和晶粒尺寸得到了双细化。同时，盘形滚刀具有高的硬度，良好的耐磨性和抵抗冲击的性能，有效地提高了盘形滚刀的使用寿命。

Description

一种高性能TBM用盘形滚刀热处理工艺
技术领域
本发明属于热处理领域，具体地说是一种高性能TBM用盘形滚刀热处理工艺，它适用于高性能TBM用盘形滚刀的生产制造过程。
背景技术
TBM(Tunnel boring machine)为全断面隧道掘进机，一般用于硬质岩层的掘进。盘形滚刀为TBM的关键零部件，固定在TBM刀盘上，在工作过程中直接与岩层相接触，通过对岩层的挤压作用来进行破岩动作，通过刀盘的旋转带动刀盘上刀具刮蹭岩石使破碎的岩石脱落。TBM工作过程中承受高达260～330KN的载荷，TBM常以磨损、断裂形式失效，同时亦存在高载荷下导致的压溃、崩刃等其他的失效形式。刀圈的失效会迫使盾构机停止作业，而频繁的换刀不仅会延误施工工期，同时也会增加盾构机施工成本。
随着隧道掘进技术在“海绵城市”、“地下管廊(网)”及“跨海隧道”建设中的应用，复杂的地下岩层对盘形滚刀的性能提出了更高的要求，盘形滚刀工作中要具有较好的耐磨性能，同时也必须具有较高的抵抗冲击的性能。传统的刀圈热处理工艺为淬火加高温回火，多在回火温度上调控以控制硬度和韧性的匹配关系，对于钢中碳化物、晶粒尺寸的控制要求较少，而滚刀刀圈的耐磨性、抗冲击性能与碳化物和晶粒尺寸的大小有着直接的关系。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种高性能TBM用盘形滚刀热处理工艺，解决现有技术中碳化物形貌、尺寸及分布的不合理，晶粒尺寸粗大、不均匀等严重降低盘形滚刀使用寿命的问题。
本发明的技术方案是：
一种高性能TBM用盘形滚刀热处理工艺，该TBM用盘形滚刀成分与质量百分比为：碳0.46～0.58％；硅0.80～1.20％；锰0.20～0.60％；铬4.50～5.80％；镍0.15～0.40％；钼1.15～1.55％；钒0.85～1.40％；磷小于0.02％；硫小于0.01％；余量为铁；
TBM用盘形滚刀的热处理工艺包括以下步骤：
1)锻后热处理工艺
将盘形滚刀以最大220℃/h加热至850～870℃，保温2～3h后，以最大40℃/h缓冷至最高温度580～600℃，随炉冷却至室温；
2)调质前双细化热处理工艺
首先，将盘形滚刀以最大220℃/h加热至1030～1060℃，保温2～3h，以100～150℃/h快冷至温度300～320℃；其次，将盘形滚刀以最大220℃/h加热至1030～1060℃，保温2～3h，以100～150℃/h快冷至温度300～320℃；然后，将盘形滚刀以最大220℃/h加热至850～870℃，保温2～3h，以50～100℃降温至730～740℃，保温4～5h，随炉冷至室温；
3)调质热处理工艺
淬火工艺：将盘形滚刀以最大220℃/h加热至1030～1060℃，保温2～3h，盘形滚刀出炉进行油淬至室温；
回火工艺：首先，将盘形滚刀放入炉中以最大300℃/h加热至540～560℃，保温1.5～2.5h，空冷至室温；然后，将盘形滚刀以最大300℃/h加热至540～560℃，保温1.5～2.5h，空冷至室温。
所述的高性能TBM用盘形滚刀热处理工艺，热处理工艺均在真空感应炉内进行。
本发明的优点及有益效果是：
采用本发明工艺热处理后的盘形滚刀碳化物细小弥散分布于基体上，晶粒尺寸均匀细小，碳化物和晶粒尺寸得到了双细化。同时，盘形滚刀具有高的硬度，良好的耐磨性和抵抗冲击的性能，提高了盘形滚刀的使用寿命，缩短隧道掘进施工周期，节约了盘形滚刀的使用成本。
附图说明
图1为实施例1中盘形滚刀显微组织图。
图2为实施例2中盘形滚刀显微组织图。
图3为实施例3中盘形滚刀显微组织图。
具体实施方式
在具体实施过程中，本发明高性能TBM用盘形滚刀热处理工艺，该TBM用盘形滚刀成分与质量百分比为：碳0.46～0.58％；硅0.80～1.20％；锰0.20～0.60％；铬4.50～5.80％；镍0.15～0.40％；钼1.15～1.55％；钒0.85～1.40％；磷小于0.02％；硫小于0.01％；余量为铁；
TBM用盘形滚刀的热处理工艺包括以下步骤：
1)锻后热处理工艺
所述高性能TBM用盘形滚刀锻造后，为了便于粗加工的进行，需进行退火处理。
退火工艺：将盘形滚刀以100～200℃/h加热至850～870℃，保温2～3h后，以10～30℃/h缓冷至500～600℃，随炉冷却至室温。
2)调质前双细化热处理工艺
首先，将盘形滚刀以100～200℃/h加热至1030～1060℃，保温2～3h，以100～150℃/h快冷至温度300～320℃；其次，将盘形滚刀以100～200℃/h加热至1030～1060℃，保温2～3h，以100～150℃/h快冷至温度300～320℃；然后，将盘形滚刀以100～200℃/h加热至850～870℃，保温2～3h，以50～100℃降温至730～740℃，保温4～5h，随炉冷至室温。
双细化热处理工艺的设计思想和作用是：对于枝晶相对发达，组织相对粗大的钢，锻造过程在一定程度上可以细化晶粒，但后续的细化处理是必不可少的。退火前将钢加热到足够高的温度，使碳化物充分溶入到奥氏体中，控制其析出过程，使碳化物弥散细小析出，不但可以使碳化物细小均匀，同时可以细化晶粒、组织，起到双细化的作用，显著提升钢的力学性能。
3)调质热处理工艺
淬火工艺：将盘形滚刀以100～200℃/h加热至1030～1060℃，保温2～3h，盘形滚刀出炉进行油淬至室温。
回火工艺：首先，将盘形滚刀放入炉中以180～280℃/h加热至540～560℃，保温1.5～2.5h，空冷至室温；然后，将盘形滚刀以180～280℃/h加热至540～560℃，保温1.5～2.5h，空冷至室温。
淬火工艺+回火工艺的设计思想和作用是：淬火时将钢加热到临界温度以上，保温以后以大于临界冷却速度的速度冷却得到马氏体组织，以提高其硬度、强度、耐磨性能等；回火时将淬火钢在A1以下温度加热，使淬火组织转变为稳定的回火组织，消除淬火应力，提高钢的韧性和塑性，获得硬度、强度、塑性和韧性的最佳匹配关系，满足实际工况使用性能要求。
为了使本发明的技术方案和优点更加清楚，下面将结合具体实施例和附图进行详细描述。
实施例1
本实施例中，该TBM用盘形滚刀成分与质量百分比为：碳0.50％；硅1.00％；锰0.40％；铬5.20％；镍0.25％；钼1.35％；钒1.27％；磷0.012％；硫0.006％；余量为铁。
本实施例中，热处理工艺包括以下步骤：1)将盘形滚刀以150℃/h加热至860℃，保温2.5h后，以20℃/h缓冷至温度590℃，随炉冷却至室温；2)首先，将盘形滚刀以150℃/h加热至1050℃，保温2.5h，以120℃/h快冷至温度310℃；其次，将盘形滚刀以150℃/h加热至1050℃，保温2.5h，以120℃/h快冷至温度310℃；然后，将盘形滚刀以150℃/h加热至860℃，保温2.5h，以80℃降温至735℃，保温4.5h，随炉冷至室温；3)淬火工艺：将盘形滚刀以150℃/h加热至1050℃，保温2.5h，盘形滚刀出炉进行油淬至室温；回火工艺：首先，将盘形滚刀放入炉中以220℃/h加热至550℃，保温2h，空冷至室温；然后，将盘形滚刀以220℃/h加热至550℃，保温2h，空冷至室温。
如图1所示，通过本发明的工艺得到的TBM用盘形滚刀显微组织中碳化物细小弥散分布在晶粒内和晶界上，根据NADCA北美压铸协会标准评定经双细化后的退火组织为AS3级，根据GB/T6394-2002标准，退火态晶粒尺寸达9.5级以上，退火态组织达到了较理想的水平，实现了退火态的晶粒尺寸和碳化物尺寸双细化。盘形滚刀硬度值在56～59HRC，具有较好的抵抗冲击的性能和耐磨性，提高了TBM用盘形滚刀的使用寿命。
实施例2
本实施例中，该TBM用盘形滚刀成分与质量百分比为：碳0.48％；硅1.15％；锰0.26％；铬5.70％；镍0.18％；钼1.43％；钒0.88％；磷0.008％；硫0.005％；余量为铁。
本实施例中，热处理工艺包括以下步骤：1)将盘形滚刀以120℃/h加热至850℃，保温2h后，以10℃/h缓冷至温度580℃，随炉冷却至室温；2)首先，将盘形滚刀以120℃/h加热至1040℃，保温2h，以100℃/h快冷至温度300℃；其次，将盘形滚刀以120℃/h加热至1040℃，保温2h，以100℃/h快冷至温度300℃；然后，将盘形滚刀以120℃/h加热至850℃，保温2h，以60℃降温至730℃，保温4h，随炉冷至室温；3)淬火工艺：将盘形滚刀以120℃/h加热至1040℃，保温2h，盘形滚刀出炉进行油淬至室温；回火工艺：首先，将盘形滚刀放入炉中以180℃/h加热至540℃，保温1.5h，空冷至室温；然后，将盘形滚刀以180℃/h加热至540℃，保温1.5h，空冷至室温。
如图2所示，通过本发明的工艺得到的TBM用盘形滚刀显微组织中碳化物细小弥散分布在晶粒内和晶界上，根据NADCA北美压铸协会标准评定经双细化后的退火组织为AS3级，根据GB/T6394-2002标准，退火态晶粒尺寸达9.5级以上，退火态组织达到了较理想的水平，实现了退火态的晶粒尺寸和碳化物尺寸双细化。盘形滚刀硬度值在56～59HRC，具有较好的抵抗冲击的性能和耐磨性，提高了TBM用盘形滚刀的使用寿命。
实施例3
本实施例中，该TBM用盘形滚刀成分与质量百分比为：碳0.55％；硅0.82％；锰0.57％；铬4.51％；镍0.38％；钼1.19％；钒1.36％；磷0.015％；硫0.007％；余量为铁。
本实施例中，热处理工艺包括以下步骤：1)将盘形滚刀以180℃/h加热至870℃，保温3h后，以30℃/h缓冷至温度600℃，随炉冷却至室温；2)首先，将盘形滚刀以180℃/h加热至1060℃，保温3h，以130℃/h快冷至温度320℃；其次，将盘形滚刀以180℃/h加热至1060℃，保温3h，以130℃/h快冷至温度320℃；然后，将盘形滚刀以180℃/h加热至870℃，保温3h，以100℃降温至740℃，保温5h，随炉冷至室温；3)淬火工艺：将盘形滚刀以180℃/h加热至1060℃，保温3h，盘形滚刀出炉进行油淬至室温；回火工艺：首先，将盘形滚刀放入炉中以280℃/h加热至560℃，保温2.5h，空冷至室温；然后，将盘形滚刀以280℃/h加热至560℃，保温2.5h，空冷至室温。
如图3所示，通过本发明的工艺得到的TBM用盘形滚刀显微组织中碳化物细小弥散分布在晶粒内和晶界上，根据NADCA北美压铸协会标准评定经双细化后的退火组织为AS3级，根据GB/T6394-2002标准，退火态晶粒尺寸达9.5级以上，退火态组织达到了较理想的水平，实现了退火态的晶粒尺寸和碳化物尺寸双细化。盘形滚刀硬度值在56～59HRC，具有较好的抵抗冲击的性能和耐磨性，提高了TBM用盘形滚刀的使用寿命。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种高性能TBM用盘形滚刀热处理工艺，其特征在于，该TBM用盘形滚刀成分与质量百分比为：碳0.46～0.58％；硅0.80～1.20％；锰0.20～0.60％；铬4.50～5.80％；镍0.15～0.40％；钼1.15～1.55％；钒0.85～1.40％；磷小于0.02％；硫小于0.01％；余量为铁；
TBM用盘形滚刀的热处理工艺包括以下步骤：
1)锻后热处理工艺
将盘形滚刀以最大220℃/h加热至850～870℃，保温2～3h后，以最大40℃/h缓冷至最高温度580～600℃，随炉冷却至室温；
2)调质前双细化热处理工艺
首先，将盘形滚刀以最大220℃/h加热至1030～1060℃，保温2～3h，以100～150℃/h快冷至温度300～320℃；其次，将盘形滚刀以最大220℃/h加热至1030～1060℃，保温2～3h，以100～150℃/h快冷至温度300～320℃；然后，将盘形滚刀以最大220℃/h加热至850～870℃，保温2～3h，以50～100℃降温至730～740℃，保温4～5h，随炉冷至室温；
3)调质热处理工艺
淬火工艺：将盘形滚刀以最大220℃/h加热至1030～1060℃，保温2～3h，盘形滚刀出炉进行油淬至室温；
回火工艺：首先，将盘形滚刀放入炉中以最大300℃/h加热至540～560℃，保温1.5～2.5h，空冷至室温；然后，将盘形滚刀以最大300℃/h加热至540～560℃，保温1.5～2.5h，空冷至室温。
2.根据权利要求1所述的高性能TBM用盘形滚刀热处理工艺，其特征在于，所述的热处理工艺均在真空感应炉内进行。
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